能源紧缺是当今世界面临的主要危机之一，一方面化石能源消耗殆尽，另一方面包括太阳能在内的众多能源形式未得到有效利用。广泛研究能量转换技术对于优化能源结构，缓解能源危机具有重要意义。材料研究是发展能量转换技术的基础，其中钛基功能陶瓷种类众多、性能优异，在光热转换、光催化、储能等能量转换领域已经有许多重要的成果，是最有发展潜力的材料之一。随着科学技术的进步和社会发展，要求进一步提升钛基功能陶瓷的能量转换性能并拓展其应用领域，在材料及器件结构上要求由单一功能向多功能集成以及功能结构一体化发展。为了达成以上发展目标，结构设计和表面性质调控是一条行之有效的路径。 本论文基于钛基功能陶瓷，设计了纳米晶、纳米线等基础材料结构，接着调控其物相组成和表面氧缺陷并引入梯度及层状材料的设计理念制备复合材料，继而研究所制备材料和器件的能量转换性能。具体研究内容及成果如下： 首先，制备钛氧化物纳米晶薄膜用于水滴运动诱导的水伏发电领域。研究发现对薄膜进行氢气气氛下的热处理，能够提升其氧空位浓度。氧空位一方面形成负电荷中心增强薄膜与水中阳离子的吸引，另一方面提高了薄膜内载流子浓度，从而形成更为紧密的双电子层，提升水伏发电性能。通过将热处理温度从800 ℃提高至1000 ℃，开路电压提升5倍至83 mV，短路电流提升超过30倍至0.521 μA。为了稳定电信号保证薄膜能够长时间运行，采用全氟癸基三甲氧基硅氧烷对薄膜进行疏水改性，研究结果显示薄膜改性后输出的信号稳定且显著增强，信号增强的原因是由于表面−F基团强大的电负性增强了对水中阳离子的吸引。进一步拓展薄膜的应用场景，发展出一套液相转移方案制备柔性薄膜，并开发出相应的应用原型，可用于收集雨水和管道内流水产生的能量，实现了最高0.6 V的稳定输出。 在发现氧空位能够影响纳米材料的水伏发电性能后，使用静电纺丝法制备钛氧化物纳米纤维膜，并将其用于由蒸发驱动的水伏发电，此种发电方式能够产生稳定持续的电信号。同样研究氢气热处理对其水伏性能的影响，结果显示，当处理温度小于800 ℃，提升处理温度，可以造成更多的氧空位，提升发电性能。800 ℃处理薄膜（5 cm×0.5 cm）的最大输出功率（1.8 nW）是600 ℃的约30倍；当处理温度达到900 ℃，由于钛氧化物发生相变，电导率提升导致电流可通过纳米线芯部完成内循环，因此对外输出功率显著下降。进一步结合纤维膜的水伏发电效应和光催化以及光热界面水蒸发技术，设计并制备了由TinO2n-1和TiO2-x组成的梯度结构钛氧化物纳米纤维膜。TinO2n-1部分拥有优秀的光热转换能力，在1 sun的光强下，蒸水的速度可达1.833 kg·m-2·h-1；TiO2-x部分则具有增强的光催化能力，降解亚甲基蓝的速度为0.125 mg·m-2·h-1。水分子通过纤维膜内毛细力的作用，源源不断地被传输至光热区，与此同时由于水伏效应产生电能，并且开路电压值和水蒸发速度呈正相关。上述梯度薄膜有望被用于污水处理和海水淡化等领域，解决现有技术手段高能耗的问题。 为了增强钛基功能陶瓷复合材料的结构特性，第三项研究工作引入层状复合材料的设计理念，从Ti基MAX相（Ti2AlC）入手，利用其优异的功能和结构特性，探索结构功能一体化材料的设计和制备。结合金属Cu制备层状结构Cu/Ti2AlC复合材料，在力学特性上，其抗拉和抗压强度分别达到550 MPa和1040 MPa，超过了目前文献报道的最高值。在功能性上，该材料具有各向异性的导电性，在垂直层面的方向上，Cu和 i2AlC层均匀分布，能够散射电子均匀地产生焦耳热。此外，有序分布的表面结构具有可调制、可剪裁的特点。经过蚀刻Cu层，可以构筑通道，并且提升吸光发热性能。用于构建石墨烯基气体传感器，层状材料既作为电极，又充当电加热台促进气体分子脱附，能够简化器件结构并降低能耗。Cu/Ti2AlC层状材料具有广阔的发展前景，进一步处理Ti2AlC层有望构筑三维结构的MXenes、钛氧化物的三维结构，用于水伏、储能等领域。 综上，本论文制备了一系列复合结构的钛基功能陶瓷复合材料，拓展了钛基陶瓷在水伏领域的应用，提升了其在光热、光催化等应用领域的能量转换性能，最后在功能结构一体化材料器件的设计上，取得了初步并令人激动的成果。论文研究丰富了钛基功能复合材料的结构设计，提升其能量转换水平，有助于缓解当前的能源危机。